徐銀君

(中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計院有限公司， 合肥 230601)

從設(shè)計角度探討保障熱電廠可靠供熱的方案

徐銀君

(中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計院有限公司， 合肥 230601)

分析不同的機組選型、抽汽調(diào)節(jié)方式和給水泵配置對供熱可靠性的影響，探討在實際設(shè)計中選擇合理的汽機型式、抽汽調(diào)節(jié)方式和給水泵配置方案，來保障熱電廠可靠供熱，對于實際工程項目設(shè)計具有參考價值。

熱電廠；供熱可靠性；機組選型；給水泵；抽汽調(diào)節(jié)方式

0 前言

隨著經(jīng)濟水平的提高，城市建設(shè)對熱能的需求越來越大，城市集中供熱也隨之迅速發(fā)展。集中供熱系統(tǒng)主要由熱源(熱電廠)、熱網(wǎng)和熱用戶三部分組成，其中一旦熱電廠故障，則整個集中供熱系統(tǒng)就會癱瘓，對熱區(qū)的生產(chǎn)和生活帶來極大不便，造成社會和經(jīng)濟的較大損失。在設(shè)計階段，熱電廠各設(shè)備的選型若都能從供熱可靠性角度進(jìn)行分析和選擇，建立正確的設(shè)計觀念，通過先進(jìn)和全面的設(shè)計理念制定保障熱電廠可靠供熱的方案，提高熱區(qū)的供熱穩(wěn)定性，對整個供熱系統(tǒng)和城市發(fā)展有著重大的意義。

本文從熱電廠設(shè)計的角度，就以下幾個方面，探討如何保障可靠供熱。

1 機組選型對供熱可靠性的影響

機組選型是否恰當(dāng)，對供熱可靠性影響很大，目前熱電聯(lián)產(chǎn)機組采用的汽機型式主要有背壓式汽輪機、抽汽背壓式汽輪機和抽汽凝汽式汽輪機。三種汽機型式對適用的熱負(fù)荷特點不盡相同。

1.1 背壓式汽輪機

背壓式汽輪機是將汽輪機的排汽供熱用戶使用的汽輪機。其排汽壓力高于大氣壓力，為正壓排汽。背壓式汽輪機的排汽直接用于供熱，熱能得到充分利用，但是其發(fā)電負(fù)荷的大小和供熱負(fù)荷大小有直接的關(guān)系，所以運行調(diào)節(jié)方式不靈活。

背壓式汽輪機排汽壓力高，通流部分的級數(shù)少，同時不需要龐大的凝汽器和冷卻水系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，機組輕小，投資少，在設(shè)計工況下經(jīng)濟性能好，運行可靠。但是背壓式汽輪機的發(fā)電量完全取決于供熱量，不能獨立調(diào)節(jié)以滿足電用戶和熱用戶的需求。

背壓式汽輪機主要用于全年熱負(fù)荷都較穩(wěn)定的企業(yè)做自備電廠，或者區(qū)域內(nèi)的基本熱負(fù)荷都較為穩(wěn)定也可選擇背壓式汽輪機，對于熱負(fù)荷波動較大的區(qū)域，因背壓機無法靈活調(diào)節(jié)保障供熱，則不建議采用背壓式汽輪機。

1.2 抽汽背壓式汽輪機

抽汽背壓式汽輪機是在背壓機的基礎(chǔ)上，從汽輪機的中間級抽取部分蒸汽，供需要較高蒸汽壓力的熱用戶，同時保持一定的背壓排汽，其排汽壓力(背壓)高于大氣壓力，供需要較低壓力等級的熱用戶使用的汽輪機。

抽汽背壓式汽輪機的優(yōu)勢和局限性和背壓式汽輪機類似，經(jīng)濟性較高，但是對熱負(fù)荷變化的適應(yīng)性較差，若區(qū)域內(nèi)熱負(fù)荷波動較大，則供熱可靠性將無法保障。

1.3 抽汽凝汽式汽輪機

抽汽凝汽式汽輪機是從汽輪機中間抽出具有一定壓力的部分蒸汽供熱用戶使用，另一部分蒸汽繼續(xù)做功，做完功的蒸汽(乏汽)排入凝汽器，被冷卻凝結(jié)成水之后通過凝結(jié)水泵打到低壓加熱器，通過除氧器除氧加熱后，利用給水泵送到鍋爐。該機組平時分為單抽汽和雙抽汽，主要根據(jù)當(dāng)?shù)責(zé)嵊脩羲枵羝麉?shù)而決定。

這種機組的主要特點是當(dāng)熱用戶所需的蒸汽負(fù)荷突然猛然下降時，多余蒸汽可以經(jīng)過汽輪機抽汽點以后的級繼續(xù)膨脹發(fā)電，這使得抽汽凝汽式汽輪機的靈活性提高，能在較大范圍內(nèi)滿足熱用戶和電用戶的需求。但是相較背壓機組而言，該機組的缺點也顯而易見，就是輔機較多，系統(tǒng)較復(fù)雜，價格較貴，熱經(jīng)濟性較差。

若熱區(qū)的熱負(fù)荷變化幅度較大，波動較明顯，變化較頻繁，則在設(shè)計過程中，宜選用抽汽凝汽式汽輪機，能較好的保證熱區(qū)的供熱可靠性。

某2×350MW改擴建工程(以下簡稱H工程)在做前期熱負(fù)荷調(diào)查時，大致可將熱負(fù)荷整理成以下幾組：2.5MPa工業(yè)用汽、1.4MPa工業(yè)用汽及0.4MPa采暖用汽。因負(fù)荷壓力等級不一，不能采用純背壓機組，而且工業(yè)熱負(fù)荷存在白天高夜間低的特點，采暖熱負(fù)荷存在采暖期和非采暖期巨大波動的情況，結(jié)合三種機型的分析，在設(shè)計中推薦該工程選用抽汽凝汽式機組。

2 抽汽調(diào)節(jié)方式對供熱可靠性的影響

通過調(diào)研與了解，目前機組的供熱抽汽調(diào)節(jié)方式主要有中調(diào)門調(diào)節(jié)方式、旋轉(zhuǎn)隔板抽汽調(diào)節(jié)方式、座缸閥調(diào)節(jié)方式及聯(lián)通蝶閥調(diào)節(jié)方式等。

2.1 中調(diào)門調(diào)節(jié)方式

在汽缸進(jìn)汽管道上分出一路供熱管道，同時在汽缸前部設(shè)置一組調(diào)節(jié)閥，一般該組調(diào)節(jié)閥共用一個閥殼，與汽缸采用法蘭螺栓連接。該調(diào)節(jié)方式通過節(jié)流汽缸進(jìn)汽的壓力和流量，達(dá)到調(diào)節(jié)供熱蒸汽流量的目的。中調(diào)門的調(diào)節(jié)方式主要針對參數(shù)較高的抽汽需求，從高參數(shù)的蒸汽管道上引出抽汽管道，對外供熱。

2.2 旋轉(zhuǎn)隔板抽汽調(diào)節(jié)方式

該抽汽調(diào)節(jié)方式是在抽汽口后(順蒸汽流向)增設(shè)一個旋轉(zhuǎn)隔板，利用旋轉(zhuǎn)隔板的靜葉片調(diào)整抽汽壓力和流量，從而控制汽輪機的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速。當(dāng)機組在額定工況下，抽汽口的蒸汽參數(shù)滿足熱用戶需求，隔板開度最大；當(dāng)機組的負(fù)荷降低時，隔板開度隨之關(guān)小，在抽汽口形成“憋壓”效果[1]，保證抽汽口處的蒸汽參數(shù)仍能滿足熱用戶的要求，旋轉(zhuǎn)隔板抽汽調(diào)節(jié)方式適用于壓力小于1.8MPa的抽汽負(fù)荷。設(shè)計旋轉(zhuǎn)隔板抽汽調(diào)節(jié)方式，可簡化機組的整體布置，降低工程投資，旋轉(zhuǎn)隔板安裝在合缸機組內(nèi)，縮短了機組的跨距。但是在抽汽量較大或者負(fù)荷較低時，旋轉(zhuǎn)隔板調(diào)節(jié)會產(chǎn)生較大的節(jié)流損失，從而導(dǎo)致抽汽工況下中壓缸效率降低。

2.3 汽缸本體加裝座缸閥調(diào)節(jié)方式

汽缸閥的結(jié)構(gòu)形式為在中壓缸外缸上部橫向布置三個或者四個獨立的調(diào)整腔室，每個腔室都有一個獨立的安裝在閥蓋上部的法蘭面上的油動機，調(diào)節(jié)閥均可以獨立控制。在座缸閥工作時，蒸汽從座缸閥前一級排出進(jìn)入閥前腔室，抽汽口位于閥前腔室下部，閥前腔室與閥體聯(lián)通，座缸閥前壓力與抽汽口處壓力相同。汽輪機在額定負(fù)荷運行時，座缸閥全開，閥前一部分蒸汽經(jīng)抽汽口抽出，另一部分蒸汽經(jīng)座缸閥進(jìn)入下一級繼續(xù)做功；汽輪機在低負(fù)荷運行時，各座缸閥開度依次關(guān)小，使閥前腔室內(nèi)的壓力繼續(xù)保持在額定抽汽壓力下，此時將能保證抽汽參數(shù)滿足熱用戶要求[1]。

同時座缸閥調(diào)節(jié)方式節(jié)流損失較小，調(diào)節(jié)性能好。但是座缸閥的設(shè)計受缸體結(jié)構(gòu)的限制，只能采用高、中壓缸分缸的汽輪機結(jié)構(gòu)，且座缸閥通常布置于中壓缸外缸上部，成本較高。汽缸閥調(diào)節(jié)對應(yīng)的抽汽壓力為1.5～5.0MPa，在實際使用中，座缸閥調(diào)節(jié)較多適用于壓力較高的工業(yè)抽汽。

2.4 聯(lián)通管蝶閥調(diào)節(jié)方式

從中壓缸到低壓缸聯(lián)通管上引出供熱管道，在管道上通過蝶閥來調(diào)節(jié)抽汽流量。其調(diào)節(jié)在機外完成。由于中壓缸排汽參數(shù)壓力較低，故此種方法多用于采暖抽汽。其調(diào)節(jié)靈活，可調(diào)抽汽量大，且結(jié)構(gòu)簡單，投資少，效益高。近期，300MW～600MW等級機組采暖供熱改造多采用此方式。

2.5 四種調(diào)節(jié)方式在實際設(shè)計中的應(yīng)用

以下是某汽機廠提供的供熱調(diào)節(jié)技術(shù)在實際設(shè)計中的應(yīng)用情況：

結(jié)合上述介紹以及汽機廠提供的調(diào)節(jié)方式在工程中的實際運用情況，四種抽汽調(diào)節(jié)方式對比分析見表1。

在實際的設(shè)計工作中，只有充分了解各種調(diào)節(jié)方式所適用的蒸汽調(diào)節(jié)參數(shù)，才能更好的選擇合適的調(diào)節(jié)方式，保障供熱的可靠性和穩(wěn)定性。

表1 調(diào)節(jié)方式適用情況

3 給水泵配置方案對供熱可靠性的影響

給水泵作為電廠最重要的輔助設(shè)備之一，在全廠的投資中占了相當(dāng)大的比重，給水系統(tǒng)也是電廠工藝系統(tǒng)中的主要系統(tǒng)之一，所以給水泵組的運行可靠性與經(jīng)濟性顯得尤為重要[2]。給水泵組的選型和配置、給水系統(tǒng)的合理優(yōu)化不僅直接影響其自身的可靠性和經(jīng)濟性，而且對整個工程的初投資與安全經(jīng)濟運行都會產(chǎn)生十分重要的影響。本節(jié)以H工程為例討論給水泵的配置對供熱可靠性的影響。

3.1 給水泵的配置方案介紹

目前，國內(nèi)300MW級機組已投運近200多臺。其中大部分給水泵配置方案多采用2×50%汽動給水泵和一臺30%容量的電動啟動備用泵，作為常規(guī)配置方案。隨著運行經(jīng)驗和設(shè)備可靠性的提高，電泵在很多電廠很少投入備用。同時，隨著泵組可靠性的提高，國內(nèi)已有多家300MW級機組采用1×100%汽動給水泵方案，且已投運。故該工程給水泵配置方案主要有以下2種。

方案一：2×50%汽動給水泵方案+30%電動啟動泵(兩機共用)；

方案二：1×100%汽動給水泵方案+30%電動啟動泵(兩機共用)。

3.2 運行可靠性比較

就運行可靠性而言，若機組采用1×100%汽泵方案，汽泵一旦發(fā)生故障，機組停機，需啟動備用熱源，才能滿足熱用戶需求，隨著熱負(fù)荷增長，影響用戶用熱穩(wěn)定性。機組采用2×50%汽泵方案，若單臺汽泵發(fā)生故障時，機組仍可帶50%負(fù)荷。

中國電力企業(yè)聯(lián)合會網(wǎng)站發(fā)布的《2011年全國電力可靠性指標(biāo)》中統(tǒng)計得到2007年～2011年200MW及以上容量火電機組給水泵組的五年運行可靠性指標(biāo)見表2。

表2 給水泵組可靠性統(tǒng)計表

從上表的數(shù)據(jù)研究所得，隨著給水泵技術(shù)的提高，給水泵的可用系數(shù)基本上依年份的增長而提高，此次我們采用平均值進(jìn)行計算。一臺給水泵的可用系數(shù)為94.25%，則2臺給水泵的可用系數(shù)=1-(1-1臺給水泵可用系數(shù))×(1-1臺給水泵可用系數(shù))=1-(1-94.25%)×(1-94.25%)=99.67%?？煽肯禂?shù)大大提高。

故在運行可靠性方面，2×50%給水泵方案有明顯優(yōu)勢，熱負(fù)荷波動較大的區(qū)域，建議在給水泵選擇時采用2×50%給水泵方案。

3.3 設(shè)備投資比較

初投資計算僅考慮兩方案不同部分的設(shè)備費用、電氣費用、土建費用等，其他部分不在計算范圍內(nèi)。兩方案的主要設(shè)備的初投資比較見表3。

表3 初投資對比表(兩臺機組)

備注：①發(fā)電功率和供熱量來自熱平衡圖；②發(fā)電利潤0.1元/kWh；供熱利潤160元/t。

由上表可得，不考慮非計劃停運所產(chǎn)生的機組啟停費用，單從多生產(chǎn)的電量和熱量考慮，方案一比方案二單臺機組每年即可多獲利潤23萬元，H工程改擴建2臺機組，則每年能多獲利潤46萬元。5年時間即可將初投資的價格差補回。

故對于熱電聯(lián)產(chǎn)機組而言，采用2×50%給水泵配置方案，就經(jīng)濟性而言，也是可觀的。

4 結(jié)束語

對于每個熱區(qū)而言，熱用戶和熱負(fù)荷都不盡相同，在熱電廠設(shè)計過程中，要落實熱用戶的用熱量，深入調(diào)查和了解熱負(fù)荷的類型和參數(shù)，根據(jù)熱負(fù)荷的特點選擇合適的汽機型式和抽汽調(diào)節(jié)方式，以保障熱區(qū)的供熱可靠性。同時，為避免因給水泵非計劃檢修而影響供熱可靠性，在設(shè)計時應(yīng)選擇合理的給水泵配置方案。

[1] 張學(xué)凱. 300MW熱-電聯(lián)供機組抽汽方式選型及結(jié)構(gòu)特點[J].發(fā)電設(shè)備, 2013, 16(1):1- 4.

[2] 石磊. 600MW亞臨界機組給水系統(tǒng)優(yōu)化[J].中國電力, 2006, 34(8):37- 40.

[責(zé)任編輯：朱子]

Discussion on Scheme of Ensuring Heating Reliability of Thermal Power Plant from Design Perspective

XUYin-jun

(AnhuiElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd.,ofChinaEnergyEngineeringGroup,Hefei230601,China)

The paper analyzes the influence of different unit type selection, steam extraction method and feedwater pump configuration on the heating reliability, and explores choosing the reasonable type of unit, steam extraction method and feedwater pump configuration in the actual design, to ensure the heating reliability of thermal power plant, which is valuable for the practical engineering project design.

thermal power plant; heating reliability; unit type selection; feedwater pump; steam extraction method

2015- 08-20

徐銀君(1987-)，女，浙江紹興人，中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計院有限公司，助理工程師，從事設(shè)計院汽機專業(yè)設(shè)計工作。

TK114

A

1672-9706(2015)03- 0090- 05